Sigmar German Peter Drath. Handbuch SI-Einheiten

Sigmar German Peter Drath Handbuch SI-Einheiten

Sigmar German Peter Drath Handbuch SI-Einheiten Definition, Realisierung, Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten, Grundlagen der Prazisionsmegtechnik Mit 104 Bildern und 67 Tabellen Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden

CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek German, Sigmar: Handbuch SI-Einheiten: Definition, Realisierung, Bewahrung u. Weitergabe d. SI-Einheitenj Grundlagen d. PrazisionsmeBtechnik!Sigmar Germanj Peter Drath. - Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg, 1979. ISBN-13: 978-3-528-08441-7 NE: Drath, Peter. Prof. Dr. Sigmar German ist Mitglied des Prasidiums der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Dr. Peter Drath ist Leiter des Referats Physikalische Gr6&en, Einheiten und Konstanten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Verlagsredaktion: Alfred Schubert Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig, 1979 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1979 Die Vervielfaltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder auch fur die Zwecke der Unterrichtsgestaltung gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall mub iiber die Zahlung einer Gebiihr fur die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfaltigung durch aile Verfahren einschlieblich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien. Satz: Vieweg, Braunschweig ISBN-13: 978-3-528-08441-7 8-ISBN-13: 978-3-322-83606-9 001: 10.1007/978-3-322-83606-9

v Vorwort Die GraBenlehre ist die Basis fur die Beschreibung naturgesetzlicher und ingenieurwissenschaftlicher Erscheinungen. Sie liefert die Grundlage fiir die gemeinsame Sprache, deren Vorhandensein die Voraussetzung fur eine eindeutige Darlegung der Erkenntnisse und fur die gegenseitige Verstandigung ist. Die letzten hundert Jahre sind aber leider gepragt von der Vielfalt der verwendeten Einheitensysteme und Dimensionssysteme und von mancherlei MiBverstandnissen iiber deren Bedeutung. I n den letzten 20 J ahren hat sich dank der Tatigkeit einiger nationaler und internationaler Organisationen eine weitgehende Klarung der Situation ergeben. Wir haben heute das I nternationale Einheitensystem (SI) und das diesem zugeordnete System physikalischer GraBen. Diese Systeme entstanden aus pragmatischen Griinden - sie sind nicht Teil einer "haheren Naturerkenntnis" -, und ihre Elemente sind klar und eindeutig definiert. Ausgangspunkt dieser Entwicklung war die Tatigkeit der Organe der Meterkonvention. Auf internationaler Ebene kamen dann die Aktivitaten der International Union of Pure and Applied Physics (I UP AP), der I nternational Union of Pure and Applied Chemistry (I UPAC) sowie der I nternational Organization for Standardization (ISO) hinzu. Auf nationaler Ebene ist in erster Linie die Tatigkeit der zum Bereich des Bundesministers fur Wirtschaft geharenden Physikalisch-Technischen Bundesanstalt - des Metrologischen Staatsinstituts der Bundesrepublik Deutschland - und des Normenausschusses Einheiten und FormelgraBen (AEF) im Oeutschen Institut fur Normung (DIN) zu erwahnen. Es liegt heute auf dem Gebiet der physikalischen Einheiten und GraBen eine solche Fiille von Material vor, dab es notwendig erscheint, dies lehrbuchmabig zu verarbeiten. Hierbei sind nicht immer nur die Endergebnisse wissenswert, sondern manchmal auch die Wege, auf denen man ans liel kam. Hinzu kommt, dab sowohl die Sturm- und Drangperiode der weltweiten Einfiihrung des SI als auch eine erste Konsolidierungsphase z. B. durch den Ablauf einiger nationaler und europaischer Obergangsfristen abgelaufen ist; dies rechtfertigt den Versuch einer geschlossenen Darstellung des jetzt Bestehenden. Einige noch eintretende Bereinigungen sind in ihrem I nhalt und in ihrem leitablauf iiberschaubar. Die Autoren haben sich daher trotz der Existenz einiger Biicher iiber das Gebiet des Internationalen Einheitensystems entschlossen, ein weiteres iiber diese Materie vorzulegen; die bisherigen dienten vorwiegend dazu, mit dem SI bekanntzumachen. Sie konnten daher zwangslaufig nur Teilbereiche abhandeln. AuBerdem haben sich in den letzten J ahren wesentliche Aspekte ergeben, die dort noch nicht beriicksichtigt werden konnten. Das liel der Autoren ist es daher, der I ndustrie, der Wirtschaft und der Lehre zuverlassiges und fiir ihre lwecke maglichst vollstandiges I nformationsmaterial zu liefern. Es sind sowohl die formalen als auch die wissenschaftlichen - insbesondere mebtechnischen - Aspekte behandelt. Daher wird sowohl der F achmann als auch der Laie Wissenswertes finden. Der Titel "Handbuch SI-Einheiten" bringt zum Ausdruck, dab eine gewisse VolIstandigkeit angestrebt wurde. Trotzdem wird sicherlich mancher Leser Liicken empfinden. Eine solche Liickenhaftigkeit kommt auf zweierlei Art zustande. Einerseits mubte von der Sache her der Stoff begrenzt werden, um den Umfang eines Buches nicht ausufern zu lassen

VI Vorwort (es war nicht das liel, ein in langen J ahren entstehendes IUckenloses Nachschlagewerk zu schreiben). Andererseits ergibt sich eine subjektive Auswahl des Stoffes durch die Begrenzung der Kompetenz eines jeden Autors. Die Generallinie bei der Stoffauswahl bestand darin, neben dem Formalen auch die mebtechnische Seite der Einheitendarstellung und Weitergabe zu bringen, aber bei den mebtechnischen Problemen nur den Anteil zu behandeln, der mit der jeweils grobten Genauigkeit zu tun hat. Das Hauptgewicht wird auf die Darstellung des J etzt-lustandes und der kunftigen Entwicklung gelegt. Der Blick zuruck bleibt beschrankt auf lusammenhange, die zum Verstandnis der heutigen Situaation erforderlich sind, und auf die Angabe von Beziehungen fur die Umrechnung alterer Einheiten in SI-Einheiten, um Hilfe zum Lesen alterer Literatur zu geben. Auf umfangreiche Tabellen zum Umrechnen von nicht zum SI gehorenden Einheiten in andere "Nicht-SI-Einheiten" wurde verzichtet. Die Autoren haben sich aber auch deshalb dazu entschlossen, den vorliegenden Stoff zusammenzustellen und abzuhandeln, weil sich erfahrungsgemab an Hoch- und Fachschulen niemand so richtig zustandig fur dieses Gebiet fuhlt. Einiges wird nebenbei in Fachvorlesungen erwahnt. Das liel dieser Schrift ist es daher auch, dem Studenten und dem in der Praxis tatigen Wissenschaftler und Ingenieur dazu zu verhelfen, die erforderlichen Kenntnisse auf diesem Gebiet zu erwerben, und dem Lehrenden die wichtigsten Materialien fur eine Verwendung im Unterricht zusammenzustellen. Da den Autoren der lugang zu den manchmal recht schwer Uberschaubaren Quellen im Gegensatz zu vielen anderen von ihrem Berufe her leicht war, sahen sie im Abfassen dieser Schrift auch eine gewisse Verpflichtung. FUr aile Verbesserungsvorschlage bezuglich Stoffauswahl und Darstellung werden sie ein offenes Ohr haben. Den Kollegen Prof. Bayer-Helms, Prof. Becker, Prof. Fritz, Prof. Hahn, Dr. Kochsiek, Prof. Kose, Prof. Schley und Dr. Woger mochten wir fur die kritische Durchsicht von Teilen des Manuskriptes herzlich danken. Unser Dank gilt auch Frau C. Schneider (M.A.) und Herrn W. Pogrzeba insbesondere fur das Ausarbeiten von Tabellen. Ein Gebiet, das mancher Leser vermissen mag, ist bewubt nicht in dieses Buch aufgenommen worden: die Berechnung und die Angabe von MeBfehlern und MeBunsicherheiten. Dieses Gebiet wird zur leit sehr stark in nationalen und internationalen Gremien diskutiert. Es ware verfriiht, jetzt Teilergebnisse zu fixieren. Braunschweig, Herbst 1978 Sigmar German Peter Drath

VII I nhaltsverzeichnis 1 Das Internationale Einheitensystem 1.1 Einleitung.... 1.2 Die sl-basiseinheiten... 2 1.3 Abgeleitete sl-einheiten... 3 1.4 Erganzende sl-einheiten... 9 1.5 Dezimale Teile und Vielfache von Einheiten... 10 1.6 Vorteile der sl-einheiten................................... 14 1. 7 Tendenzen zur Ausweitung des 51... 15 1.8 Einheiten auserhalb des I nternationalen Einheitensystems............. 16 1.9 Das Einheitengesetz... 20 1.10 EG-Einheitenrichtlinie... 25 1.11 Nationale Normu ng auf dem Gebiet der Einheiten... 28 1.12 Internationale Normung auf dem Gebiet der Einheiten... 30 1.13 Das 01 ML-Dokument... 31 1.14 DasslinderChemie... 31 1.15 Das 51 im Gesundheitswesen... 35 1.16 GroSen und Einheiten im Gasfach............................. 40 1.17 Historische Anmerkungen... 43 2 Die Meterkonvention........... 47 2.1 Geschichtliche Bemerkungen zum Metrischen System........ 47 2.2 Die Organe der Meterkonvention... 51 2.3 Das Metrische System in Deutschland... 54 2.4 Ausbreitung des 51 in der Welt... 55 3 Die Realisierung der SI-Basiseinheiten... 56 3.0 Einleitung... 56 3.1 Das Meter............................................. 58 3.1.1 Einleitung...................................... 58 3.1.2 Die atomare Definition... 59 3.1.3 Laser.......................................... 63 3.1.4 Die weitere Entwicklung... 66 3.1.5 LangenmeSgerate und LangenmeSverfahren... 68 3.1.5.1 Die Abbesche Anordnung....................... 68 3.1.5.2 Komparatoren... 70 3.1.5.3 Interferometer... 74 3.1.5.4 Das photoelektrische MeSmikroskop... 78 3.1.5.5 EndmaSe... 80 3.1.5.6 MaSstabe... 85 3.1.6 Lagerung....................................... 86 3.1.7 Fiihrungen...................................... 88

VIII I nhaltsverzeichnis 3.2 Das Kilogramm... 91 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.2.9 3.2.10 Einleitung... 91 Das Kilogramm-Prototyp............................. 91 Massevergleiche... 93 3.2.3.1 EinflUsse, die yom Massenormal kommen... 93 3.2.3.2 EinflUsse, die yom Wageverfahren, von der Waage und yom Wagevorgang kommen... 94 Die Luftauftriebskorrektion........................... 95 Die Fallbeschleunigung... 96 Die Messung der Fallbeschleunigung... 101 Die metrologische Bedeutung der Fallbeschleunigung... 104 Schwere und trage Masse............................. 105 Gravitationskonstante............................... 107 Gewicht........................................ 111 3.2.11 Masse und Wagewert................................ 111 3.2.12 Waagen und Wagemethoden......................... 114 3.3 Die Sekunde... 120 3.3.1 Einleitung...................................... 120 3.3.2 DieWeltzeit... 120 3.3.3 Die Ephemeridenzeit... 122 3.3.4 Die Atomzeit... 125 3.3.5 Die Atomzeitskalen... 125 3.3.6 Die Verbreitung der Zeit... 129 3.3.7 Das Datum... 131 3.3.8 Atomuhren...................................... 133 3.3.9 Uhren in unterschiedlichem Gravitationspotential... 137 3.3.10 Stoppuhren... 140 3.4 Das Ampere... 141 3.4.1 Einleitung... 141 3.4.2 Definition der elektrischen Einheiten..................... 142 3.4.2.1 Die heutige Definition der Basiseinheit Ampere... 142 3.4.2.2 Definition der abgeleiteten elektrischen Einheiten....... 143 3.4.3 Realisierung elektrischer Einheiten... 144 3.4.3.1 Die Darstellung des Amperes... 144 3.4.3.2 Die Darstellung des Farads... 146 3.4.3.3 Die Darstellung des Ohms....................... 147 3.4.3.4 Die Darstellung des Volts... 148 3.4.3.5 Obersicht Uber die status-quo-situation....... 152 3.4.4 Bewahrung der elektrischen Einheiten und internationaler Vergleich.. 152 3.4.4.1 Bewahrung des Ohms... 152 3.4.4.2 Bewahrung des Volts.......................... 155 3.4.5. Die weitere Entwicklung... 158 3.5 Das Kelvin... 160 3.5.1 Einleitung... 160 3.5.2 Die thermodynamische Temperatur... 161 3.5.3 Der Tripelpunkt des Wassers... 164 3.5.4 Die Internationale Praktische Temperaturskala... 164 3.5.5 Die Angabe von Temperaturen... 169

I nhaltsverzeichnis I X 3.5.6 MeSgerate zur Temperaturmessung... 170 3.5.6.1 TripelpunktgefaS... 170 3.5.6.2 Gasthermometer............................. 170 3.5.6.3 Die Interpolationsgeriite........................ 173 3.6 Das Mol... 174 3.7 Die Candela... 182 3.7.1 Einleitung... " 182 3.7.2 Radiometrische GroSen zur Beschreibung elektromagnetischer Strahlung... 183 3.7.3 Der spektrale Hellempfindlichkeitsgrad... 184 3.7.4 Photometrische (lichttechnische) GroSen zur Beschreibung des Lichts... 186 3.7.5 Die historische Entwicklung bei der Einfiihrung einer photometrischen Basiseinheit... " 187 3.7.6 Zusammenhang zwischen Strahlungsphysik und Lichttechnik..... 189 3.7.7 Die DarsteliungderCandela... 190 3.7.8 Die weitere Entwicklung... :... 192 3.7.9 Die Messung des Lichtstroms... 195 4 Realisierung und Verbreitung des 51 in Westeuropa........ 196 4.1 Einleitung... 196 4.2 Die nationalen Normale fur die SI-Basiseinheiten... 197 4.3 Rechtsgrundlagen fur die Weitergabe der SI-Basiseinheiten... 198 4.4 MeSunsicherheiten bei der Weitergabe der SI-Basiseinheiten............ 200 4.5 MeSunsicherheiten bei der Weitergabe weiterer Einheiten... 204 4.6 Referenzsubstanzen... 207 4.7 Kalibrierdienst... 208 5 Das gesetzliche MeSwesen... 210 5.1 Das Eichgesetz... 210 5.2 Die Eichordnung... 211 5.3 OIML-Empfehlungen... 216 6 Dimension, GroSe, Einheit, Zahlenwert 218 6.0 Aligemeines... 218 6.1 Dimension, GroSenart... 218 6.2 Physikalische GroSe... 223 6.3 Einheit...'... 226 6.4 Zahlenwert... 231 6.5 Gleichungen... 232 6.6 GroSenquotienten... 236 6.7 GroSenverhaltnisse... 237 6.8 Systeme... 243 6.9 Zahlen... 251

x I nhaltsverzeichn is 6.9.1 Das Dezimalzeichen... 251 6.9.2 Schreibweise von Zahlen... 252 6.9.3 Runden........................................ 253 6.9.4 Runden mit Unsicherheit... 253 6.9.5 Runden nach dem Umrechnen in andere Einheiten............ 254 6.9.6 Prozent, Promille................................ 256 7 MeStechnische Grundbegriffe... 257 7.0 Einleitung... 257 7.1 Der Begriff des Messens und das MeBergebnis... 257 7.2 MeBverfahren... 262 7.3 MeBgerate... 264 7.4 Die Ausgabe (Anzeige)... 269 7.5 Skalen... 270 8 Konsistenter Satz von Fundamentalkonstanten................... 272 9 Literatur... 278 Anhang... 280 A 1 Gesetz iiber Einheiten im MeBwesen (Einheitengesetz)... 281 A2 Ausftihrungsverordnung zum Gesetz iiber Einheiten im MeBwesen... 286 A3 Tafel der gesetzlichen Einheiten... 302 A4 Auslaufende Einheiten und ihre Obergangsfristen.................... 319 AS Rechtsvorschriften fur die Umrechnung friiherer LandesmaBe in Deutschland in metrische Einheiten... 322 A6 Gesetz iiber die Zeitbestimmung... 326 A7 Beispiel eines Bulletins iiber den Zeitzeichensender DCF 77... 328 A8 Zeitzeichensender, die in Mitteleuropa bequem empfangen werden konnen... 329 A9 Verbreitung des metrischen Systems... 330 A 10 Abkiirzungen von Organisationen... 335 All OIML-Dokument "Unites de Mesure Legales"... 337 A 12 Verzeichnis von Normen iiber Einheiten in anderen Landern... 351 A 13 Verzeichnis der D I N-Normen und Norm-Entwiirfe iiber GroBen, E inheiten und Formelzeichen... 353 A 14 Darstellung der Einheitennamen in Systemen mit beschranktem Schriftzeichenvorrat... 361 A 15 Bekanntmachung iiber Temperaturskalen (I nternationale Praktische Temperaturskala 1968)... 363 A 16 Chemische Elemente... 383 A 17 Tabellen: GroBenbenennungen in Deutsch, Englisch und Franzosisch, Formelzeichen, Einheiten... 385 A18 Umrechnungsbeziehungen... 416 A 19 Richtlinie des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten iiber Einheiten im MeBwesen (EG-Einheitenrichtlinie)................. 430 A20 Entwurf einer EG-Einheitenrichtlinie; Stand Februar 1979.............. 443

XI Verzeichnis der Tabellen Tabelle Nr. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 2.1 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Die sieben SI Basiseinheiten Beispiele fiir abgeleitete SI-Einheiten, die durch Basiseinheiten ausgedriickt werden Abgeleitete SI-Einheiten, die einen besonderen Namen haben.... Abgeleitete SI-Einheiten, die einen besonderen Namen haben und die in den Bereichen Radiologie und Dosimetrie verwendet werden, um Irrtumsrisiken zu vermeiden.... Beispiele fiir abgeleitete SI-Einheiten, die mit Hilfe von besonderen Namen ausgedriickt werden.... Herleitung der Namen von SI-Einheiten, die nach Personen benannt sind Erganzende SI-Einheiten.... 51- Vorsatze.... Herkunft der Vorsatze zur Bezeichnung von bestimmten dezimalen Vielfachen und Teilen von Einheiten........ Einheiten, die gemeinsam mit dem 51 benutzt werden.... Einheiten, die gemeinsam mit dem 51 benutzt werden und deren Beziehungen zu den 51- Einheiten experimentell ermittelt werden.... Einheiten, die voriibergehend neben dem 51 beibehalten werden.... CGS-Einheiten mit besonderem Namen, die nicht zusammen mit SI-Einheiten zu benutzen sind.... Beispiele von Einheiten, die nicht verwendet werden sollten. Sie sind nach Moglichkeit durch SI-Einheiten zu ersetzen..... '" Einheiten des Schiffs- und Luftverkehrs Einheiten in der Radiologie.... Von einer gemeinsamen Kommission der Schweizerischen, tisterreichischen und Deutschen Gesellschaft fur Klinische Chemie empfohlene Einheiten Mitgliedstaaten der Meterkonvention.... Vakuumwellenlangen von Sekundarstandards.... Zulassige Abweichungen von EndmaBen in Ilm bei der Bezugstemperatur 20 DC Langenanderung von EndmaBen durch Druckanderung.... Langenanderung von EndmaBen durch ihre Gewichtskraft.... Normalschwere'Y unter der geographischen Breite {3 nach Cassinis, 1930 Ortstabelie der Fallbeschleunigung.... Abkiirzungen fur Zeitskalen.... Elektrische Feldstarke europaischer Zeitsignal- und Normalfrequenzsender im Sommer am Tage... 129 3.9 Kalendermonate... 132 3.10 Wochentage... 132 3.11 Konstruktive Eigenschaften primarer Cs-Atomstrahlnormale 135 3.12 Frequenzunsicherheiten von primaren Cs-Atomstrahlnormalen infolge von Parameterunsicherheiten......... 135 3.13 Unterschiede der in der PTB und anderen Instituten bewahrten elektrischen Widerstandseinheiten beim internationalen Vergleich 1973... 154 3.14 Bewahrung der elektrischen Widerstandseinheit; internationaler Stand am 1.1.1977 gemab Umfrage des BIPM............................... 155 3.15 Bewahrung der elektrischen Spannungseinheit; internationaler Stand am 1.1.1977 gemab Umfrage des BIPM... 157 3.16 Moglichkeiten zur Neudefinition der mechanischen und elektrischen Einheiten... 160 3.17 Definierende Fixpunkte der IPTS-68... 165 3.18 Geschatzte Unsicherheiten der den definierenden Fixpunkten zugeordneten Werte, bezogen auf ihre thermodynamische Temperatur... 165 2 4 4 5 6 7 9 10 12 16 17 18 19 20 23 37 38 50 62 83 84 84 98 100 128

XII Verzeichnis der Tabellen 3.19 Sekundare Bezugspunkte der IPTS-68/75... 166 3.20 Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad fur Tagessehen V (A) und fur Nachtsehen V' (A)... 185 3.21 Radiometrische und photometrische GroSen... 187 4.1 Obersicht uber Normale fur die Basiseinheiten, die in 13 westeuropaischen Landern fur die Weitergabe der Einheiten bereitgehalten werden........................... 197 4.2 Mit der Darstellung und Verbreitung der Basiseinheiten befaste Organisationen in den westeuropaischen Landern... 199 4.3 MeSunsicherheiten bei der Weitergabe von Vielfachen und Teilen des Meters und des Kilogramms...... 201 4.4 Gunstigstenfalls erreichbare relative Unsicherheiten bei der Weitergabe von Vielfachen und Teilen des Volts und des Ohms von den nationalen Sekundarnormalen... 202 4.5 Unsicherheiten bei der Weitergabe und Realisierung der IPTS-68... 203 4.6 4.7 4.8 4.9 5.1 5.2 7.1 8.1 Weitere Einheiten, die von nationalen Normalen aus weitergegeben werden... 205 NormalmeSeinrichtungen zur Weitergabe der Krafteinheit... 205 Darstellung und Weitergabe der Druckeinheit... 206 Referenzsubstanzen fur SI-Basiseinheiten... 207 Verabschiedete EWG-Richtlinien... 214 Internationale MeStechnische Empfehlungen... 216 Skalenwert und Skalenkonstante... 266 Konsistenter Satz von Fundamentalkonstanten 274 Weitere Tabellen im Anhang